从空间站监测地球上的地面伽马射线闪光电磁脉冲

（单击图像可查看全图。）根据ASIM的数据，艺术家对雷暴上方多波长发射的印象。与闪电相关的高电场（浅蓝色）会产生地面伽马射线闪光（品红色）。产生的电磁脉冲导致紫外线发射出红色或白色的精灵环或膨胀环。

您可能已经看到风暴云发出的闪电击中地面。但是，此类螺栓仅占整个闪电现象的一小部分。最强大的活动发生在地球高层大气的地面上方。

在那里，闪电会产生短暂的伽马射线爆发，这是地球上自然产生的最高能量的现象。研究人员最近使用国际空间站上的仪器测量了这些高能地面伽玛射线闪光或TGFs。这项工作有助于揭示出我们称之为闪电的明亮闪光背后的机制。

大气-空间相互作用监测器（ASIM）观测到的地面gamma射线闪光或TGF动画，然后是精灵。

这些仪器是大气-空间相互作用监测器（ASIM）的一部分，该监测器是空间站外部的地球观测设施，用于研究严重的雷暴及其在地球大气和气候中的作用。除TGF外，ASIM还记录了其他类型的高空闪电，称为瞬态发光事件（TLE）。正如最近发表在《科学》杂志上的一篇论文所报道的那样，ASIM的高速仪器帮助研究人员确定了产生TGFs的事件的顺序。

丹麦技术大学国家太空研究所的Torsten Neubert说：“借助ASIM，我们可以看到大气和云层像炉子上的一锅炖锅一样冒泡，”该论文的主要作者。对流将湿度，灰尘和其他颗粒带入高层大气，从而影响地球的辐射平衡。闪电是对流的一种度量，并且可以相对简单地放入天气和气候模型中。

闪电是一种快速放电，可以使云内或云与地面之间的相反电荷暂时均衡的方法。对流通过对流推动，较轻的冰粒高空飘浮，较重的冰粒在重力作用下掉落。当这些粒子碰撞时，它们交换电荷，较轻的粒子带正电荷，而较重的粒子带负电荷。大气层在这些电场之间充当绝缘体，直到电荷强度超过大气层的绝缘性能为止。然后，在云层之间或在云层与地面之间形成了闪电领袖（实际上是一个长长的火花），发生得如此之快，以至于人类难以看见。引线连接到地面时，我们会看到大电流的明亮闪光：雷击。

在国际空间站的哥伦布外部有效载荷设施（Columbus-EPF）上安装了“大气-空间相互作用监控器（ASIM）”调查。由地面控制的外部高清摄像机3（EHDC3）拍摄的照片。

诺伊伯特和他的团队观察到在雷电电流脉冲发生时发生了转化生长因子，然后产生了精灵。精灵正在雷暴上方的电离层中传播紫外线发射波，就像落在水中的小卵石产生的宇宙涟漪一样。测量表明，电流的发生在高振幅下会迅速发生，并且伽马射线闪光是由与雷电引导器相关的电场产生的。这些观察结果提供了TLE和TGF之间联系的证据。

当雷暴产生非常高能量的电子，这些电子突然爆发进入高层大气时，它们仅持续数毫秒，但会发出ASIM可以测量的X射线和伽马射线。实验帮助确定了这些电子被释放时会发生什么。

诺伊伯特说：“当闪电绕过云层时，前方的大气层可能会分解成非常快的高电流脉冲。”在此过程中，它会抛出电子，从而产生明亮的闪光。了解此过程将打开闪电的内在生命。

Neubert补充说，由于闪电是危险的，因此科学家倾向于在实验室进行研究，但这无法达到其真正的本性。“我们可以使用有关如何产生高能辐射的新信息来了解有关闪电内部过程的更多信息。”

TGF发生在远高于正常闪电和暴风云的高度，因此对其进行测量具有挑战性。作为太空中最低的平台，远低于卫星，该空间站将ASIM置于其所测量的位置附近。ASIM的仪器也直接指向空间站的下方，从而可以在闪电中捕获尽可能多的光子。

从1997年开始，NASA的另一台仪器“闪电成像传感器”（LIS）便测量了17年的闪电特征，但卫星的轨道仅覆盖南北纬度35度之间，主要是热带地区。2017年，安装在空间站上的相同LIS将覆盖范围扩大到南北纬度56度之间。LIS数据帮助科学家检查了闪电与恶劣天气之间的关系。Neubert说，将ASIM数据与LIS和其他仪器的数据进行比较有助于使它对天气预报更加有用。

最终，ASIM可以帮助科学家更好地了解雷暴如何影响地球大气层。

“我们很快将对地球同步轨道上的美国，欧洲和中国仪器的闪电进行连续，几乎完整的全球监视。只要您知道如何使用这些数据，此覆盖范围将改善天气和气候预报。这就是我们希望ASIM能够提供帮助的地方，” Neubert说。“这是一个令人难以置信的激动人心的时刻。”

参考：Torsten Neubert，NikolaiØstgaard，Victor Reglero，Olivier Chanrion，Matthias Heumesser，Krystallia Dimitriadou，Freddy Christiansen，CarlBudtz-Jørgensen，Irfan Kuvvetli，Ib Lundga，“由闪电驱动的地面伽马射线闪光和电离层紫外线发射”梅岑采夫，马蒂诺·马里萨尔迪，克杰蒂尔·乌拉兰德，格奥尔基·热诺夫，杨世明，帕夫洛·科奇金，哈维尔·纳瓦罗·冈萨雷斯，保罗·康纳尔和克里斯·艾尔斯，2020年1月10日，科学.DOI：
10.1126 / science.aax3872